基于声发射技术的页岩压缩损伤破坏实验研究
发布时间：2021-01-23 14:14
为了研究页岩真实的损伤演化机理,探究层理方向、围压对页岩岩石力学性质的影响,并建立页岩损伤本构方程,利用声发射技术,进行了陆相页岩单、三轴压缩声发射实验、页岩巴西劈裂实验、页岩I型断裂韧性测试实验,分析不同围压下、不同层理方向下,页岩损伤演化特点、岩石破坏特征、声发射信号特点、应力-应变等岩石力学特征,并给出合理的理论分析。研究结果表明,页岩受载初期内部的微孔洞、微裂隙、宏观裂缝、层理被压实,损伤减小,应力-应变曲线斜率不断增大,页岩弹性模量不降反增,曲线呈下凹型,受载岩石损伤不是单调增大,而是先减小后增大。建立了更加合理的基于声发射特征的页岩单轴压缩损伤本构方程,由建立的本构方程得出的应力-应变曲线与实际应力-应变曲线吻合度更高,对以往损伤理论进行了补充和完善。声发射探头能够捕捉岩石的压密、裂纹的扩展和连通信息,声发射信号能够反映页岩内部微细观损伤演化过程。声发射信号只与损伤演化有关,与损伤变化剧烈程度无关,声发射信号总是与损伤近似呈现线性关系。层理属于弱胶结面,对页岩抗拉强度、I型断裂韧性具有重要影响,不同层理方向的页岩抗拉强度和I型断裂韧性各向异性明显,对层理性岩石进行科学研究时...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
声发射信号简化波形参数的定义
第二章单轴压缩声发射实验132.4.2不同层理方向的页岩单轴压缩破坏形态实验岩心破坏后形态如图2-4所示：图2-41-4号页岩岩心压缩破裂形态从1-4号页岩岩心压缩破裂形态可以看出，垂直层理岩心多产生局部崩解破坏，平行层理岩心多出现沿层理面的拉伸破坏，裂缝贯穿整个岩心，表现出了明显的各向异性。页岩层理面的抗拉强度远低于页岩基质的抗拉强度，层理面极易产生拉伸破裂、剪切破裂，破裂方向与层理面平行。在较低的应力下，平行层理岩心层间软弱面和微裂纹便率先缓慢、有序张开与延伸，导致岩石容易发生破坏，降低了岩石强度。垂直层理岩心在应力加载初期，微裂纹、层理面等空间被压缩闭合，没有发生层间破坏，岩石被压密，损伤减小，抗压能力反而增强。2.4.3单轴压缩过程中，页岩声发射特征分析岩心单轴压缩过程中声发射撞击数、撞击累计数随时间的变化规律如图2-5所示。从图中可以看出：在压密阶段，主要是裂缝、层理和孔隙在压力的作用下产生收缩、闭合，微裂隙、微孔隙基本没有发生扩展，声发射信号主要来自于压密作用产生的摩擦，出现的声发射信号较少，处于声发射平静期；在弹性变形阶段，产生新的微裂隙，原有的微裂隙稳定扩展，但连通较少，声发射信号依然处于较低水平，仍然属于声发射平静期；在弹塑性变形阶段，产生较多微裂隙，微裂隙充分发展，部分微裂隙开始贯通，应力-应变曲线偏离直线，声发射信号开始活跃；峰后破坏阶段，在应力峰值以后，宏观裂缝贯穿岩心，岩石瞬间产生破坏，形成剧烈的应力降，包含了丰富的损伤演化信息，产生剧烈的声发射信号，声发射信号急剧增加。压密阶段、弹性变形阶段、弹塑性变形前期有声发射现象，但是比重较小，声发射主要发生在弹塑性变形后期和峰后剧烈破坏阶段。1号、2号页岩声发射累计曲线比
第三章三轴压缩声发射实验15第三章三轴压缩声发射实验本章主要进行了变围压下的页岩三轴压缩声发射实验，围压分别为0兆帕，10兆帕，20兆帕，目的是得到不同围压下页岩抗压强度、应力-应变曲线、声发射信号、岩石破坏形态特点，理论分析围压对页岩岩石力学性质和声发射信号特点的影响，分析声发射信号与岩石三轴应力下破坏损伤演化之间的内在关系。3.1实验原理岩石纵向不断受压缩时，岩石内部会产生损伤，同时释放出弹性波，弹性波可被声发射探头捕捉，形成声发射信号。声发射信号来源于损伤，本身包含着岩石损伤演化的重要信息。利用实验仪器给岩心施加不同围压，就可以进行不同围压下的页岩三轴压缩损伤破坏实验。3.2实验准备实验所用岩石来自于鄂尔多斯盆地页岩露头，属于延长组长7段岩石，具有明显的层理结构，为了避免层理的影响，本次实验全部进行平行层理取心。使用大型切割机将取回的页岩露头切割成宽度约为15cm的岩石块，便于利用线切割机（厂家为南通华兴石油仪器有限公司，型号QT5625）进行页岩岩心的割取，沿平行层理方向取心，岩心按照Φ25mm×50mm的标准制备，线切割机割取的岩心表面光滑，形状规则准确，加工过程不会对岩心造成二次伤害。图3-1利用岩心线切割机进行页岩岩心的割取3.3实验过程三轴压缩声发射实验仪器采用美国GCTS-RTR1500高温高压多功能岩石三轴测试系统，加载方式为位移加载，控制速度为0.05mm/min，使用PAC声发射仪对声发射信号进行监测，为保证实验数据的可靠性，每组页岩三轴声发射实验，声发射传感器固定
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同层理倾角炭质板岩巴西劈裂试验及数值研究[J]. 李二强,张洪昌,张龙飞,朱天宇,路景淦,冯吉利. 岩土力学. 2020(09)
[2]考虑水敏性的页岩黏土多相耦合甲烷吸附模型[J]. 黄瑞,陈军斌,王佳部,姚欢迎. 特种油气藏. 2019(05)
[3]基于细观处理的矿物含量和分布对页岩脆性的影响——以鄂尔多斯盆地延长组7段页岩为例[J]. 黄瑞,陈军斌,王汉青. 科学技术与工程. 2019(26)
[4]页岩单轴压缩应力-应变特征及能量各向异性[J]. 张萍,杨春和,汪虎,郭印同,徐峰,侯振坤. 岩土力学. 2018(06)
[5]层理性页岩断裂韧性的加载速率效应试验研究[J]. 吕有厂. 岩石力学与工程学报. 2018(06)
[6]煤体在不同层理方位Ⅰ型断裂特征试验研究[J]. 武鹏飞,梁卫国,曹孟涛,杨健峰,黎力. 地下空间与工程学报. 2017(S2)
[7]基于三维数字图像相关技术的脆性岩石破坏试验研究[J]. 马永尚,陈卫忠,杨典森,杨建平,龚哲. 岩土力学. 2017(01)
[8]考虑层理影响页岩巴西劈裂及声发射试验研究[J]. 侯鹏,高峰,杨玉贵,张志镇,高亚楠,张向向,张骥. 岩土力学. 2016(06)
[9]基于巴西劈裂试验的页岩强度与破坏模式研究[J]. 杨志鹏,何柏,谢凌志,李存宝,王俊. 岩土力学. 2015(12)
[10]黑色页岩巴西劈裂破坏的层理效应研究及能量分析[J]. 侯鹏,高峰,杨玉贵,张志镇,张向向. 岩土工程学报. 2016(05)
博士论文
[1]软岩层理结构效应实验研究[D]. 王晓雷.中国矿业大学（北京） 2013
[2]脆性岩石损伤及物理性质演化的实验研究[D]. 王小琼.中国地震局地球物理研究所 2012
硕士论文
[1]砂岩抗拉强度和断裂韧度测试方法研究[D]. 王少阳.成都理工大学 2019
[2]基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型研究[D]. 王菲.清华大学 2013
[3]基于细观力学的岩石弹塑性损伤模型研究[D]. 袁小平.中国地质大学(北京) 2012
[4]岩石三轴压缩破裂失稳的声发射突变特征及预测研究[D]. 王德超.山东科技大学 2011
本文编号：2995363
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
声发射信号简化波形参数的定义
第二章单轴压缩声发射实验132.4.2不同层理方向的页岩单轴压缩破坏形态实验岩心破坏后形态如图2-4所示：图2-41-4号页岩岩心压缩破裂形态从1-4号页岩岩心压缩破裂形态可以看出，垂直层理岩心多产生局部崩解破坏，平行层理岩心多出现沿层理面的拉伸破坏，裂缝贯穿整个岩心，表现出了明显的各向异性。页岩层理面的抗拉强度远低于页岩基质的抗拉强度，层理面极易产生拉伸破裂、剪切破裂，破裂方向与层理面平行。在较低的应力下，平行层理岩心层间软弱面和微裂纹便率先缓慢、有序张开与延伸，导致岩石容易发生破坏，降低了岩石强度。垂直层理岩心在应力加载初期，微裂纹、层理面等空间被压缩闭合，没有发生层间破坏，岩石被压密，损伤减小，抗压能力反而增强。2.4.3单轴压缩过程中，页岩声发射特征分析岩心单轴压缩过程中声发射撞击数、撞击累计数随时间的变化规律如图2-5所示。从图中可以看出：在压密阶段，主要是裂缝、层理和孔隙在压力的作用下产生收缩、闭合，微裂隙、微孔隙基本没有发生扩展，声发射信号主要来自于压密作用产生的摩擦，出现的声发射信号较少，处于声发射平静期；在弹性变形阶段，产生新的微裂隙，原有的微裂隙稳定扩展，但连通较少，声发射信号依然处于较低水平，仍然属于声发射平静期；在弹塑性变形阶段，产生较多微裂隙，微裂隙充分发展，部分微裂隙开始贯通，应力-应变曲线偏离直线，声发射信号开始活跃；峰后破坏阶段，在应力峰值以后，宏观裂缝贯穿岩心，岩石瞬间产生破坏，形成剧烈的应力降，包含了丰富的损伤演化信息，产生剧烈的声发射信号，声发射信号急剧增加。压密阶段、弹性变形阶段、弹塑性变形前期有声发射现象，但是比重较小，声发射主要发生在弹塑性变形后期和峰后剧烈破坏阶段。1号、2号页岩声发射累计曲线比
第三章三轴压缩声发射实验15第三章三轴压缩声发射实验本章主要进行了变围压下的页岩三轴压缩声发射实验，围压分别为0兆帕，10兆帕，20兆帕，目的是得到不同围压下页岩抗压强度、应力-应变曲线、声发射信号、岩石破坏形态特点，理论分析围压对页岩岩石力学性质和声发射信号特点的影响，分析声发射信号与岩石三轴应力下破坏损伤演化之间的内在关系。3.1实验原理岩石纵向不断受压缩时，岩石内部会产生损伤，同时释放出弹性波，弹性波可被声发射探头捕捉，形成声发射信号。声发射信号来源于损伤，本身包含着岩石损伤演化的重要信息。利用实验仪器给岩心施加不同围压，就可以进行不同围压下的页岩三轴压缩损伤破坏实验。3.2实验准备实验所用岩石来自于鄂尔多斯盆地页岩露头，属于延长组长7段岩石，具有明显的层理结构，为了避免层理的影响，本次实验全部进行平行层理取心。使用大型切割机将取回的页岩露头切割成宽度约为15cm的岩石块，便于利用线切割机（厂家为南通华兴石油仪器有限公司，型号QT5625）进行页岩岩心的割取，沿平行层理方向取心，岩心按照Φ25mm×50mm的标准制备，线切割机割取的岩心表面光滑，形状规则准确，加工过程不会对岩心造成二次伤害。图3-1利用岩心线切割机进行页岩岩心的割取3.3实验过程三轴压缩声发射实验仪器采用美国GCTS-RTR1500高温高压多功能岩石三轴测试系统，加载方式为位移加载，控制速度为0.05mm/min，使用PAC声发射仪对声发射信号进行监测，为保证实验数据的可靠性，每组页岩三轴声发射实验，声发射传感器固定
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同层理倾角炭质板岩巴西劈裂试验及数值研究[J]. 李二强,张洪昌,张龙飞,朱天宇,路景淦,冯吉利. 岩土力学. 2020(09)
[2]考虑水敏性的页岩黏土多相耦合甲烷吸附模型[J]. 黄瑞,陈军斌,王佳部,姚欢迎. 特种油气藏. 2019(05)
[3]基于细观处理的矿物含量和分布对页岩脆性的影响——以鄂尔多斯盆地延长组7段页岩为例[J]. 黄瑞,陈军斌,王汉青. 科学技术与工程. 2019(26)
[4]页岩单轴压缩应力-应变特征及能量各向异性[J]. 张萍,杨春和,汪虎,郭印同,徐峰,侯振坤. 岩土力学. 2018(06)
[5]层理性页岩断裂韧性的加载速率效应试验研究[J]. 吕有厂. 岩石力学与工程学报. 2018(06)
[6]煤体在不同层理方位Ⅰ型断裂特征试验研究[J]. 武鹏飞,梁卫国,曹孟涛,杨健峰,黎力. 地下空间与工程学报. 2017(S2)
[7]基于三维数字图像相关技术的脆性岩石破坏试验研究[J]. 马永尚,陈卫忠,杨典森,杨建平,龚哲. 岩土力学. 2017(01)
[8]考虑层理影响页岩巴西劈裂及声发射试验研究[J]. 侯鹏,高峰,杨玉贵,张志镇,高亚楠,张向向,张骥. 岩土力学. 2016(06)
[9]基于巴西劈裂试验的页岩强度与破坏模式研究[J]. 杨志鹏,何柏,谢凌志,李存宝,王俊. 岩土力学. 2015(12)
[10]黑色页岩巴西劈裂破坏的层理效应研究及能量分析[J]. 侯鹏,高峰,杨玉贵,张志镇,张向向. 岩土工程学报. 2016(05)
博士论文
[1]软岩层理结构效应实验研究[D]. 王晓雷.中国矿业大学（北京） 2013
[2]脆性岩石损伤及物理性质演化的实验研究[D]. 王小琼.中国地震局地球物理研究所 2012
硕士论文
[1]砂岩抗拉强度和断裂韧度测试方法研究[D]. 王少阳.成都理工大学 2019
[2]基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型研究[D]. 王菲.清华大学 2013
[3]基于细观力学的岩石弹塑性损伤模型研究[D]. 袁小平.中国地质大学(北京) 2012
[4]岩石三轴压缩破裂失稳的声发射突变特征及预测研究[D]. 王德超.山东科技大学 2011
本文编号：2995363
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